第7章信号细分与辨向
测控电路习题详解
测控电路习题详解第一章绪论 (2)第二章信号放大电路 (7)第四章信号分离电路 (14)第五章信号运算电路 (25)第六章信号转换电路 (29)第七章信号细分与辨向电路 (34)第一章绪论1-1为什么说在现代生产中提高产品质量与生产效率都离不开测量与控制技术？为了获得高质量的产品，必须要求机器按照给定的规程运行。
例如，为了加工出所需尺寸、形状的高精度零件，机床的刀架与主轴必须精确地按所要求的轨迹作相对运动。
为了炼出所需规格的钢材，除了严格按配方配料外，还必须严格控制炉温、送风、冶炼时间等运行规程。
为了做到这些，必须对机器的运行状态进行精确检测，当发现它偏离规定要求，或有偏离规定要求的倾向时，控制它，使它按规定的要求运行。
为了保证产品质量，除了对生产过程的检测与控制外，还必须对产品进行检测。
这一方面是为了把好产品质量关，另一方面也是为了检测机器与生产过程的模型是否准确，是否在按正确的模型对机器与生产过程进行控制，进一步完善对生产过程的控制。
生产效率一方面与机器的运行速度有关，另一方面取决于机器或生产系统的自动化程度。
为了使机器能在高速下可靠运行，必须要求机器本身的质量高，其控制系统性能优异。
要做到这两点，还是离不开测量与控制。
产品的质量离不开测量与控制，生产自动化同样一点也离不开测量与控制。
特别是当今时代的自动化已不是本世纪初主要靠凸轮、机械机构实现的刚性自动化，而是以电子、计算机技术为核心的柔性自动化、自适应控制与智能化。
越是柔性的系统就越需要检测。
没有检测，机器和生产系统就不可能按正确的规程自动运行。
自适应控制就是要使机器和系统能自动地去适应变化了的内外部环境与条件，按最佳的方案运行，这里首先需要的是对外部环境条件的检测，检测是控制的基础。
智能化是能在复杂的、变化的环境条件下自行决策的自动化，决策的基础是对内部因素和外部环境条件的掌握，它同样离不开检测。
1-2试从你熟悉的几个例子说明测量与控制技术在生产、生活与各种工作中的广泛应用。
测控电路
测控电路测控技术是现代生产和高科技中的一项必不可少的基础技术。
本书主要介绍工业生产和科学研究中常用的测量与控制电路。
包括测控电路的功用和对它的主要要求、测控电路的类型与组成、信号放大电路、信号调制解调电路、信号分离电路、信号运算电路、信号转换电路、信号细分与辩向电路、逻辑控制与连续信号控制电路、测控电路中的抗干扰技术，最后通过若干典型测控电路对电路进行分析。
本教材不是一般意义上电子技术教程的深化与提高，而是着重讲清如何在电子技术与测量、控制之间架起一座桥梁，使学员熟悉怎样运用电子技术来解决测量与控制中的任务，实现测控的总体思想，围绕精、快、灵和测控任务的其他要求来选用和设计电路。
"前言第一章绪论第一节测控电路的功用第二节对测控电路的主要要求一、精度高二、响应快三、转换灵活四、可靠性与经济性第三节测控电路的输入信号与输出信号一、模拟式信号二、数字式信号第四节测控电路的类型与组成一、测量电路的基本组成二、控制电路的基本组成第五节测控电路的发展趋势第六节课程的性质、内容与学习方法思考题与习题第二章信号放大电路第一节测量放大电路一、基本要求与类型.二、稳零放大电路三、高输入阻抗放大电路四、高共模抑制比较放大电路五、电桥放大电路六、电荷放大电路七、单片集成测量放大器第二节增益调整与切换以及线性化电路一、增益调整电路二、可编程增益放大电路三、线性化电路第三节隔离放大电路一、基本原理二、通用隔离放大电路三、程控增益隔离放大电路第四节功率放大电路一、基本电路二、组合式功率放大电路三、单片集成功率放大器思考题与习题第三章信号调制解调电路第一节调制解调的功用与类型第二节调幅式测量电路一、调幅原理与方法二、包络检波电路三、相敏检波电路第三节调频式测量电路一、调频原理与方法二、鉴频电路第四节调频式测量电路一、调频原理与方法二、鉴相电路第五节脉冲调制式测量电路一、脉冲调制原理与方法二、脉冲调制信号与方法三、脉冲调制测量电路应用举例思考题与习题第四章信号分离电路第一节滤波器的基本知识一、滤波器的类型二、模拟滤波器的传递函数与频率特性三、滤波器特性的逼近第二节 RC有源滤波电路一、压控电压源型滤波电路二、无限增益多路反馈型滤波电路三、双二阶环滤波电路四、有源滤波器设计第三节集成有源滤波器一、开关电容滤波原理二、集成有源滤波芯片介绍第四节跟踪滤波器一、压控跟踪滤波器二、变频跟踪滤波器第五节数字滤波器简介一、数字系统频域分析二、数字滤波原理简介三、数字滤波器的实现思考题与习题第五章信号运算电路第一节加减运算电路一、加法运算电路二、减法运算电路第二节对数、指数及乘除运算电路一、对数运算电路二、指数运算电路三、乘除和乘方、开方运算电路第三节微分积分运算电路一、积分运算电路二、微分运算电路三、PID电路第四节常用特征值运算电路一、绝对值运算电路二、平均值运算电路三、峰值运算电路四、有效值运算电路第五节复杂运算电路一、反函数运算电路二、任意函数电路三、解微分方程运算电路思考题与习题第六章信号转换电路第一节采样保持电路一、基本原理二、模拟开关三、采样保持实用电路第二节电压比较电路一、电平比较电路二、滞回比较电路三、窗口比较电路第三节电压频率转换电路一、V/f转换器二、f/V转换器第四节电压电流转换电路一、I/V转换器二、V/I转换器第五节模拟数字转换电路一、D/A转换器二、A/D转换器思考题与习题第七章信号细分与辨向电路第一节直传式细分电路一、四细分辨向电路二、电阻链分相细分三、微型计算机细分四、只读存储器细分第二节平衡补偿式细分一、相位跟踪细分二、幅值跟踪细分三、脉冲调宽型幅值跟踪细分四、频率跟踪细分——锁相倍频细分思考题与习题第八章逻辑控制电路第一节二值可控元件驱动电路一、功率开关驱动电路二、继电器与电磁阀驱动电路三、步进电动机驱动电路第二节可编程逻辑器件一、可编程阵列逻辑PAL二、通用阵列逻辑GAL思考题与习题第九章连续信号控制电路第一节导电角控制逆变器一、120°导电角控制逆变器二、180°导电角控制逆变器第二节脉宽调制（PWM）控制电路一、脉宽调制控制电路的工作原理二、典型脉宽调制电路三、PWM功率转换电路四、同步式与异步式脉宽调制控制电路第三节变频控制电路一、基本原理和分类二、控制方式和特性三、AC-AC变频器四、AC-DC-AC变频器五、脉宽调制型变频控制电路第四节程控电源一、程控相控型电源二、程控交流稳定电源思考题与习题第十章测控电路中的抗干扰技术第一节电磁干扰一、干扰与噪声源二、干扰与噪声的耦合方式三、干扰与噪声抑制的一般措施第二节屏蔽、接地、隔离、布线与灭弧技术一、屏蔽技术二、接地技术三、隔离技术四、布线技术五、灭弧技术第三节电源干扰的抑制一、电网干扰抑制技术二、电源稳定净化技术思考题与习题第十一章典型测控电路分析第一节温度测量与控制系统一、温度、压力测控仪二、半导体激光电源的温度控制电路第二节数控机床的速度、位移测控系统一、速度控制二、位置控制思考题与习题参考文献。
信号及其分类
为什么要对信号进行频域描述？
信号的时域与频域描述是否包含同样的信息量？
1.时域描述：以时间为独立变量 ，反映信号
幅值—时间变化的关系
不能提示信号的频率组成
2.频域描述：信号的频率组成及其幅值相角之
大小
揭示：幅值——频率， 相位——频率
幅频谱
相频谱
例：周期方波
x(t) x(t nT0 )
x(t) A 0 t T0
2 T0
x(t)
sin
nw0tdt
2
n=1,2,3…..
w0
2
T0
合并同类项： x(t) a0 An sin(nw0t n )
An
a
2 n
bn2
n1
tg n
an bn
即：
n
arctg
an bn
也可写成： x(t) a0 An cos(nw0t n ) n1
T0
T0 t 0 2
x(t) A 2A t T0
o t T0 2
解：a0
1 T0
T0
2
2 T0
2
x(t)dt
T0
T0
2A
A
2 (A t)dt
0
T0
2
an
2 T0
T0
2 T0 2
x(t) cosnw0tdt
4 T0
T0 2 0
(
A
2 At ) T0
例1－2：画出余弦、正弦函数的实、虚部频谱图
解：
cosw0t
测控的电路-信号细分和辩向第七章第一部分
细分电路的应用范围？
面向光栅, 感应同步器, 磁栅,容栅和激光干涉仪等 设备输出的周期信号
细分电路的分类？
•按工作原理分：直传式和平衡补偿式细分
•按处理信号分：调制信号和非调制信号细分
2
什么是辨向？为什么要辨向？
辨向：辨别机构的移动方向
A
B C D
E
位移传感器一般允许在正、反两个方向移动；
A'
B'
B'
Uo1 Uo2
Uo1 Uo2
正向运动（A超前B）
反向运动（ B超前A ） 8
HCTL-20XX系列四细分辨向电路
• 该系列芯片具有细分与辨向功能； • 具有抗干扰设计； • 将可逆计数器设计在芯片上，芯片的集 成度高； • 简化外围电路的设计。
9
CLK
HCTL-2020具有的功能 CK 细分脉冲 计数方向 U/D 级联脉冲 CNT CAS CNTDECR
54o
= 1
3
33kΩ
24kΩ
18kΩ
56kΩ
72o
13 12
= 1
-Esinω t 144o
11
126o
10
UR
12
3+ 13
11+ 11’
13
电阻链分相细分优缺点
优点: 具有良好的动态特性,应用广泛 缺点: 细分数越高所需的元器件数目也成比例地 增加，使电路变得复杂，因此电阻链细分 主要用于细分数不高的场合。
1 2 3 4 5 6 7 8
19
微机量化细分的优缺点
优点：利用判别卦限和查表实现细分，相对 来说减少了计算机运算时间，若直接算反函 u1 / u2 )或 arc cot(u1 / u2 ) 要化更多的时 数arctan( 间；通过修改程序和正切表，很容易实现高 的细分数。 缺点：需要进行软件查表，细分速度慢，主 要用于输入信号频率不高或静态测量中。
信号的细分与辨向电路实验设计
光栅输 出的信号经跟随器跟随，起到阻抗匹配 的作用 ，ｓ ｉ ｎ信号经反相 器得 到 一ｓ ｉ 号 ，并将 ｎ信 ｓ ， 一 ｉ，ＣＳ ｉ ｎ ｓ ｎ Ｏ ３路信号输人集 成 ５细分 芯片 ，５
细分后 输 出 ２路 相 位相 差 ９ 。 ０ 的方 波 ， 由于 ５细分
芯片输 出高电平 为 １ ２Ｖ，为了与后 面 ４细分 电路 在电平上达到统一 ，须在 ５细分后加上 电平转换 电 路 ，将 １ ２Ｖ转换为５Ｖ 。信号经４细分细分后输出
Ａｂ ｔａ ｔ ｈ ｉ ｕ ｔ ｏ ｉｎ ｌｓ ｂ ｉ ｉ ｏ ｎ ｉ ｃｉ ｎ ｄ ｓ ｒ ｎ ｔ ｎ ｉ ｏ ｅ ｗ ｄ ｌ ｓ ｄ ｐ ｅ ｉｅ ｃｒ ｕ ｔ Ｉ ｓｅ ｄ ｏ ｈ ｎ ｅ ｒ ｔｄ ｓ ｒ ｃ ：Ｔ ｅ ｃｒ ｉ ｆ ｒｓｇ ａ ｕ ｄ ｖｓ ｎ ａ ｄ ｄ ｒ ｔ ｃ ｍｉ ａ ｉ ｓ ｎ ｉ ｅｙ ｕ ｅ ｒ ｃ ｓ ｉｃ ｉ ｎ ｔａ ｆｔ ｅ ｉ ｔｇ ａｅ ｃ ｉ ｅ ｏ ｉ ｉ ｏ ． ｃ ｉ ｓｆ ｒｆ ｅ—ｓ ｂ ｉｉｉｎ ，ｔ ｅ ｄ ｓ ｒ ｔ ｌ ｍｅ ｔ ａｅ ｕ ｅ ｈ ｘ ｅ ｍｅ ｔｔ ｄ ｃ ｈ ｏ ｔ ｈｐ ｖ ｏ ｉ ｕ ｄｖ ｓ ｓ ｈ ｉｃ ｅ ｅｅ ｎｓ ｒ ｓ ｄ ｉ ｔ ｅ ｅ ｐ ｒ ｎ ｏ ｒ ｕ ｅ ｔｅ ｃ ｓ，Ｍｅ ｎ ｈ ｌ ， ｉ ｒ ｅ ｏｍａ ｅ ｔｅ ｒ — ｏ ｅ ｎ ｉ ｅ ａｗ ｉ ｅ ｎ ｏ ｄ ｒｔ ｋ ｈ ｅ ｓ ｔ ｒ ｉ ｉｌ ｄ ｅ ｓ ｅ ｏ ｏ ｓ ｒｅ，ｔ ｅ ｓｇ ａ ｅ ｅ ａｏ ｓ ｄ ｔ ｒｄ ｃ ｉ ｕ ｏｄ ｉ ａ ， ｉ ｕ ｓｍｏ ｖｓｂ ｅ ａ ａ ｉｒｔ ｂ ｅ ｖ ｅ ｎ ｈ ｉ ｌ ｇ ｎ ｒ ｔｒｉ ｕ ｅ ｏ ｐ ｏ ｕ ａ ｓｎ ｓ ｉ ａ ｓｇ ｌ ｗｈ ｃ ｈ ｎ ｃ ａ ｇ ｄ ｉ ｔ ｏ ｎ ｓ ｅ ｌ ｎ ｉｈｉ ｔｅ ｈ ｅ ｏａｃ — ｓ ｎ ｎ
最完整的编码器培训教程
光电编码器培训教程
混合式旋转编码器的特点：
具备绝对编码器的旋转角度编码的唯 一性与增量编码器的应用灵活性
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SEW 编码器的规格选择
光电编码器培训教程
常规编码器参数说明
光电编码器培训教程
Resolver（分解器、模拟式）
Schematic diagram and equivalent circuit diagram of the resolver
编码器
4 绝对式测量（ABS）
（1）信号性质
输出n位二进制编码，每一 个编码对应唯一的角度。
0000
0 22.5 45 337.5
0001 0010 1111
编码器
（2）接触式绝对码盘
4个电刷
导电为“1”，非导电为“0”
4位二进制码盘 最小分辨角
＝360°／2n
当n＝4，＝360°／24＝22.5°
Connection of HTL encoder ES1C, ES2C or EV1C to MOVIDRIVE If you are using an HTL encoder ES1C, ES2C or EV1C, you must not connect the negated channels A(K1), B(K2) and C(K0) to MOVIDRIVE 连接HTL信号编码器
Connect the shield to the electronics shield clamp of the inverter
在变换器的电路板上用线卡连接
Connect the shield to the PG fitting of the encoder 编码器用屏蔽的PG接口连接
细分与辫向电路
1 2k 1
2 v
fW
/ 7 W=2mm
跟踪速度-动态测量速度
因为一个载波周期比一次相，为使测量速度引起动态误差不 超过一个细分脉冲当量，要求在一个载波周期内相位角的变 化不超过一个细分脉冲当量，即
umsin(t+j) Θј=2πX/W
V W fn
V Wf n
V为测量速度；f为载波信号频率；n为细分数；W为 标尺节距。
5-1 5-2 5-3 5-6
第五章 细分与辫向电路 2013年5月
内容
一、细分电路的作用、类型和指标 二、直传式细分电路 三、平衡补偿式细分电路
一、细分电路的作用、类型和指标
作用：提高仪器的分辨力
根据周期性测量信号的波形、振幅或者相位的变化规律， 在一个周期内进行插值，从而获得优于一个信号周期的 更高的分辨力。
由于位移传感器一般允许在正、反两个方向移动，在进 行计数和细分电路的设计时往往要综合考虑辨向的问题。
u0
R2E sin t
R1 R2
R1E R1
cos t
R2
U om
E
R12 R22 R1 R2
,
arctan( R1 ) R2
uo
Uom
sin(t )
E cost
u2
u2
uo
R2
ER1
uo R1 R2
R1 u1
u1
ER2 R1 R2
E cost
E sint
E sint Esint
E sint
若f=2K W=2mm n=200 v<1.2m/min
4、频率跟踪细分电路---锁相倍频细分电路
鉴相器
环路滤波器 Uc 压控振荡器
测控电路_复习
第一章 绪论
第一节 第二节 第三节 第四节 测控电路的功用 对测控电路的主要要求 测控电路的输入信号与输出信号 测控电路的类型与组成
第五节
测控电路的发展趋势
本章基本概念
1.
对测控电路的主要要求（精度高；高的输入阻抗和低的输出阻抗； 响应速度快和动态失真小；转换灵活；可靠性与经济性）； 影响测控电路精度的主要因素（噪声与干扰★；失调与漂移，主 要是温漂；线性度与保真度★ ；输入与输出阻抗的影响）；
基本微分电路的微分方程、微分器的阶跃相应；
二、推导、分析和计算
练习：5-1，5-2，5-3，5-4
第五章
信号运算电路
三、推导、分析和计算
5-2.试设计一个能实现加减混合运算的电路。
1 1 U o U i1 U i 2 U i 5 U i1 U i2 U i3 5 5
6-1 常用的信号转换电路有哪些种类？试举例说明其功能。
答：常用的信号转换电路有采样/保持（S/H）电路、电压比较电路、 V/f（电压/频率）转换器、f/V（频率/电压）转换器、V/I（电压/电流 ）转换器、I/V（电流/电压）转换器、A/D（模/数）转换器、D/A（数/ 模）转换器等。 采样/保持（S/H）电路具有采集某一瞬间的模拟输入信号，根据 需要保持并输出采集的电压数值的功能。 模拟电压比较电路是用来鉴别和比较两个模拟输入电压大小的电 路。比较器的输出反映两个输入量之间相对大小的关系。 V/f（电压/频率）转换器能把输入信号电压转换成相应的频率信号。 V/I（电压/电流）转换器的作用是将电压转换为电流信号。 模/数转换器在以微型计算机为核心组成的数据采集及控制系统中，必 须将传感器输出的模拟信号转换成数字信号，为此要使用模/数转 换器（简称A/D转换器或ADC）。
激光干涉仪的细分技术_邓上
图 4 锁相倍频电路
图 5 为典型的基于塞曼效应的双频激光干涉仪 的电路框图, 测量信号和参考信号经锁相倍频后的 频率为 N [ (f 2- f 1) + f ] 和 N ( f 2 - f 1) 的两列 脉冲, 为便于后续电路的处理, 用一高频信号将二列 脉冲同步, 使脉冲处于完全重合或者完全错开的状 态, 然后经过一个高速异或门逻辑电路实现此两列 脉冲的相减, 得到表征动镜位移的当量脉冲。这种 细分处理方法完全是由硬件完成的, 输出的当量脉 冲与实际位移之间只有硬件延迟, 所以可以在闭环 位置控制系统中作为测量元件, 实现实时控制。
图 6 相位调制细分方法
光干涉仪的细分方法还有很多, 例如在单频激
光干涉仪中, 可以用电阻链细分方法; 在基于声光频 移的双频激光干涉仪中, 可以将测量信号与频差信 号、测量信号与移相 90 的频差信号分别混频, 得到 相位差为 90 的两路信号, 然后按单频激光干涉仪的 细分方法处理; 在基于塞曼效应的双频激光干涉仪 中, 可以采用测量剩余相位的方法实现细分等, 利用 两个相互垂直偏振光相干、其干涉信号为一个旋转 的线偏振光的特点实现细分, 在国内亦有大量的研 究, 并取得很好的效果[ 4] 。
2 G E Eommargren. A new laser measurment system for precision metrology. Precision Engineering , 1987, 9( 4)
3 M Hageli, J Dual.Hetrodyne laser interferometer with phsase demodulation
该公司成立于 2002 年, 是由 沈阳中 油天 宝( 集 团) 物 资 装备有限公司、中国石油天 然气管 道局、上海 市闵行 区浦 江 镇资产经营有限公司共同投资兴建的国 内第一家 ERW 钢 管 生产 企 业。 中 油 天 宝 焊 管 生 产 线 建 成 投 产, 标 志 着 我 国 ERW 钢管制造水平和技术 已跨入了同行业世界先进行列。
现代测试技术与信号处理_复习
一般说来，测试系统由传感器、中间变换装置和显示记录装置三部分组成。
传感器将被测物理量(如噪声,温度) 检出并转换为电量，中间变换装置对接收到的电信号用硬件电路进行分析处理或经A/D变换后用软件进行信号分析，显示记录装置则测量结果显示出来，提供给观察者或其它自动控制装置2.1信号的分类主要是依据信号波形特征来划分的，在介绍信号分类前，先建立信号波形的概念信号波形：被测信号信号幅度随时间的变化历程称为信号的波形。
2.1 确定性信号与非确定性信号可以用明确数学关系式描述的信号称为确定性信号。
不能用数学关系式描述的信号称为非确定性信号。
2.2 信号的时域波形分析信号的时域波形分析是最常用的信号分析手段，用示波器、万用表等普通仪器直接显示信号波形，读取特征参数。
2.5 信号的频域分析信号频域分析是采用傅立叶变换将时域信号x(t)变换为频域信号X(f)，从而帮助人们从另一个角度来了解信号的特征。
X(t)= sin(2πnft)时域分析只能反映信号的幅值随时间的变化情况，除单频率分量的简谐波外，很难明确揭示信号的频率组成和各频率分量大小。
4 傅立叶变换的性质a.奇偶虚实性b.线性叠加性若x1(t) ←→X1(f)，x2(t) ←→X2(f)则：c1x1(t)+c2x2(t) ←→c1X1(f)+c2X2(f)c.对称性若x(t) ←→X(f)，则X(-t) ←→x(-f)d. 时间尺度改变性若x(t) ←→X(f)，则x(kt) ←→1/k[X(f/k)]e. 时移性若x(t) ←→X(f)，则x(t±t0) ←→e±j2πft0 X(f)f. 频移性若x(t) ←→X(f)，则x(t) e±j2πf0t ←→X(f ±f0)2.6卷积分1 卷积卷积积分是一种数学方法，在信号与系统的理论研究中占有重要的地位。
特别是关于信号的时间域与变换域分析，它是沟通时域－频域的一个桥梁。
第七章--光栅传感器知识讲解
第7章 光栅传感器 图7.3 莫尔条纹原理
第7章 光栅传感器 7.1.3
1. 位移放大作用 相邻两条莫尔条纹间距B与栅距w及两光栅夹角θ的关系 为
(7.1)
令k为放大系数，则
(7.2)
第7章 光栅传感器
2. 由图7.1知，若光栅栅距为w，刻线数为i，移动距离为x， 则
x=i w
(7.3)
将式(7.3)代入式(7.1)中，有
图7.2 圆光栅栅线
第7章 光栅传感器
7.1.2 计量光栅是利用莫尔现象来实现几何量的测量的。莫尔
条纹是由主光栅和指示光栅的遮光与透光效应形成的(两只 光栅参数相同)。主光栅用于满足测量范围及精度，指示光 栅(通常是从主尺上裁截一段)用于拾取信号。将主光栅与指 示光栅的刻划面相向叠合并且使两者栅线有很小的交角θ， 这样就可以看到，在a-a线上两只光栅栅线彼此错开，光线 从缝隙中透过形成亮带，其透光部分是由一系列菱形图案构 成的；在b-b线上两只光栅栅线相互交叠，相互遮挡缝隙， 光线不能透过形成暗带。这种亮带和暗带相间的条纹称为莫 尔条纹。由于莫尔条纹的方向与栅线方向近似垂直，因此该 莫尔条纹称为横向莫尔条纹。莫尔条纹原理如图7.3所示。
第7章 光栅传感器 图7.1 光栅的结构
第7章 光栅传感器 圆光栅有三种栅线形式：一种是径向光栅，其栅线的延 长线通过圆心；另一种是切向光栅，其栅线的延长线与光栅 盘的一个小同心圆相切；还有一种是其栅线为一簇等间距同 心圆组成的环形光栅。圆光栅通常在圆盘上刻有1080～64 800条线。圆光栅栅线如图7.2
第7章 光栅传感器 图7.7 四路电信号波形
第7章 光栅传感器
7.2.3 位移测量传感器如果不能辨向，则只能作为增量式传感
器使用。为辨别主光栅的移动方向，需要有两个具有相差的 莫尔条纹信号同时输入来辨别移动方向，且这两个莫尔条纹 信号相差90°相位。实现的方法是在相隔B／4条纹间隔的 位置上安装两个光电元件，当莫尔条纹移动时两个狭缝的亮 度变化规律完全一样，相位相差π／2，滞后还是超前完全取 决于光栅的运动方向。这种区别运动方向的方法称为位置细 分辨向原理。辨向原理如图7.5
测控第七章习题答案
第七章 信号细分与辨向电路7-1图7-33为一单稳辨向电路，输入信号A 、B 为相位差90︒的方波信号，分析其辨向原理，并分别就A 导前B 90︒、B 导前A 90︒的情况，画出A '、U o1、U o2的波形。
A '、U o1、U o2的波形如图X7-1所示。
可见，当A 导前B 90︒时，U o1有输出，U o2无输出，当B 导前A 90︒时，U o1无输出，U o2有输出，实现辨向。
7-2参照图7-6电阻链五倍频细分电路的原理，设计一电阻链二倍频细分电路。
该电阻链二倍频细分电路如图X7-2所示，其输出A 、B 为相位差90°的二路信号，它们的频率是输入信号频率的二倍。
A BA BA' U o1A BA BA' U o1图X7-17-3 若测得待细分的正余弦信号某时刻值为u 1=2.65V , u 2=-1.33V ，采用微机对信号进行200细分，请判别其所属卦限，并求出对应的θ值和k 值。
某时刻正弦信号值为u 1=2.65V , 余弦信号值为 u 2=-1.33V ，根据两信号的极性（u 1为+、u 2为-）和绝对值大小（|u 1|〉|u 2|），可判别出信号在3卦限。
由于对信号进行200细分，因此在一个卦限内，需实现25细分。
在3卦限用|ctg θ| 65.233.1sin cos ctg 12===u u A A θθθ 求它的arctan,得到θ=26.65°，由于26.65°/1.8°=14.81，所以k =65。
7-4 在图7-14所示只读存储器256细分电路中，请计算第A000(十六进制)单元的存储值。
A000(十六进制)对应的二进制为1010000000000000，即X =10100000、Y =00000000，对应十进制X =160、Y =0， 由下式可得θ=284°，284°×（256/360°）=201.96，取整为202，对应的二进制为11001010。
测控电路教程第七章 信号细分与辨向电路
1
11′
144o
126o
9′ = 8′
1
10′
UR
图7-6
电压比较器一般接成施密特触发电路的形式， 电压比较器一般接成施密特触发电路的形式， 使其上升沿和下降沿的触发点具有不同的触发 电平，这个电平差称为回差电压。 电平，这个电平差称为回差电压。让回差电压 大于信号中的噪声幅值， 大于信号中的噪声幅值，可避免比较器在触发 点附近因噪声来回反转，回差电压越大， 点附近因噪声来回反转，回差电压越大，抗干 扰能力越强。 扰能力越强。但回差电压的存在使比较器的触 发点不可避免地偏离理想触发位置，造成误差， 发点不可避免地偏离理想触发位置，造成误差， 因此回差电压的选取应该兼顾抗干扰和精度两 方面的因素。 方面的因素。
式中，V为测量速度；f为载波信号频率；n为细分数；W为 标尺节距。
2π V θ = fW + V
(7-11)
四、频率跟踪细分——锁相倍频细 频率跟踪细分 锁相倍频细
鉴相器 fi fo/n n分频器 环路滤波器 Uc 压控振荡器 fo
图7-29 锁相倍频细分原理图
此系统由四个主要部件——鉴相器、环路滤波器、 压控振荡器和n分频器组成。
3. 相对相位基准和移相脉冲门
a) 时钟脉冲 b) 正常分频 c) 减脉冲 d) 使θd延后 减脉冲 e) 加脉冲 f) 使θd前移 加脉冲
图7-15 加减脉冲改变θd 原理图
n/2分频器 f0 Ux S D C R DF & n/4分频器 相对相位基准 二分频器 Ud DG1
& Fx DG2 Ux
umsin(ωt+θj)
放大 整形
鉴相电路 移 相 脉 冲
θj-θd
移位脉冲门
莫尔条纹的形成原理和特点四
❖ 标尺光栅相对 指示光栅旳转 角方向
顺时针方向
逆时针方向
标尺光栅移动 方向
向左 向右 向左 向右
莫尔条纹移动方向
向上 向下 向下 向上
2）光学放大作用
由公式B=W/θ可知，当W一定，而 θ较小时，可使θ<<1，则B>>W。
如：长光栅在一毫米内刻线为100条，θ＝ ＝10 0.00029 rad，则：B=0.01/0.00029≈3.44mm， 放大344倍。
在实际装置中常将光源、计量光栅、光电转 换和前置放大组合在一起构成传感器（光栅读 数头）；将具有细辨别向旳差补器、计数器和 由步进电机、打印机或绘图机等构成旳受控装 置装在一种箱内，常称为数字显示屏。
光源
计量 光栅
光电 转换
前置 放大
细辨 别向
计数
受控 装置
传感器
数字显示屏
3自由度光栅数显表
安装有直线光栅旳数控机床加工实况
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辨向电路
正向移动时脉冲数累加，反向移动时，便从累加旳脉冲数中 减去反向移动所得到旳脉冲数，这么光栅传感器就可辨向。
1、光栅旳类型
光栅 光栅
一般是由在表面上按一定间 透射式光栅 隔制成透光和不透光旳条纹
旳玻璃构成
反射式光栅
在金属光洁旳表面上按一定 间隔制成全反射和漫反射旳
条纹。
长光栅 测量线位移旳光栅为矩形并随被 测长度增长而加长
圆光栅 测量角位移旳光栅为圆形
2、光栅旳外形及构造
尺身
尺身安装孔 防尘保护罩旳内部为长磁栅
反射式扫描头 （与移动部件固定）
扫描头安装孔
测控电路课件(完整)
（三）、开关信号
开关信号可视为绝对码信号的特例，当绝 对码信号只有一位编码时，就成了开关信号。 只有0和1两个状态。
与行程开关、光电开关、触发式测头相连 接的测控电路，其输入信号为开关信号。
当执行机构只有两种状态时，如电磁铁、 开关等，要求测控电路输出开关信号。
第四节 测控电路的类型与组成
一、测量电路的基本组成 (一)模拟式测量电路的基本组成 (二)数字式测量电路的基本组成
二、控制电路的基本组成 (一)开环控制 (二)闭环控制
传 感 器
量 程 切 换
放 大 器
解 调 器
电
路
振荡器
信 号 分 离
运 算 电
模 数 转 换
计 算 机
电路 电
路
路
电源
显 示 执 行 机 构 电路
图1-6 模拟式测量电路的基本组成
传 感 器
细 脉转 分 冲换 电 当电 路 量路 辨向电路
（二）、绝对码信号
1111 0000
1110
0001
1101
0010
1100
0011
1011
0100
1010
0101
1001
0110
1000 0111
绝对码信号是一种与状态相对应的信号。
绝对码信号在显示与打印机机构中有广泛的 应用。显示与打印机构根据测控电路的译码器输 出的编码，显示或打印相应的数字或符号。在一 些随动系统中，执行机构根据测控电路输出的编 码，使受控对象进入相应状态。
以磁电式电表、示波器、笔式记录器作为显示 机构，以直流电动机为执行机构时，要求测控电路 的输出信号为非调制模拟信号。
第三节 测控电路的输入信号与输出信号
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A
A
B
B
A'
A'
B'
B'
Uo1
Uo1
Uo2
Uo2
a)
b)
图7－3
二、HCTL-20XX系列四细分辨向电路
HCTL-20XX系列四细分辨向电路是HP公司生产的细分辨 向电路，如图7-4所示。
CLK
CK
施密特 数字 触发器 滤波器
CH A
四细分 辨向电路
计数脉冲 计数方向
CH B
SEL OE
禁止逻辑
测量电路通常采用对信号周期进行计数的方
法实现对位移的测量，若单纯对信号的周期进行
计数, 则仪器的分辨力就是一个信号周期所对应的
位移量。为了提高仪器的分辨力，就需要使用细
分电路。
细分的基本原理：
根据周期性测量信号的波形、振幅或者相位的 变化规律，在一个周期内进行插值，从而获得优于 一个信号周期的更高的分辨力。
显然，由于Ks的变化和△ xj的存在会使达到相同的x０所 需的x j值发出变化，也即使细分点的位置发生变化。由于直 传系统信号单向传递，越在前面的环节，其输入变动员所引 起的x０变动量越大，因而要保持系统的精度必须稳定各环节 的灵敏度，减少各环节特别是靠近系统输入端的环节的输入 误差。基于上述要求，直传系统的抗干扰能力较差，其精度 一般低于平衡补偿系统。在同等精度要求下，直传系统对电 路元器件的质量、结构和装调技术有更高的要求。但是，由 于直传系统没有反馈比较过程，一般说来电路结构简单，响 应速度较快。
按所处理的信号可分为调制信号细分电路和非调制 信号细分电路。
细分的方法有机械细分、光学细分、电子细分和微 机细分等。
数字式检测和计量仪器随着激光、光栅、
磁栅感应同步器等技术的迅猛发展，数字式测
量仪器也越来越多，特别是各种仪器电路与微
机计算及处理技术紧密结合与应用，又促进了
检测及计量仪器数字化。
缺点：直传系统抗干扰能力较差，其精 度低于平衡补偿系统。
优点：直传系统没有反馈比较过程，电 路结构简单、响应速度快，有着广泛的 应用。
典型的细分电路:
☆ 四细分辨向电路
☆ 电阻链分相细分
☆ 微型计算机细分
☆ 只读存储器细分
7.1.1 四细分辨向电路
输入信号：具有一定相位差(通常为90)的 两路方波信号。
辨向：由于位移传感器一般允许在正、反两个方向 移动，在进行计数和细分电路的设计时往往要综合 考虑辨向的问题。辨向电路的作用是判别测量运动 方向或判别被测零件公差的正、负，并发出方向信 号控制计数器计数做加或减运算，或平衡跟踪方向 及显示符号的正、负。
细分电路分类：
按工作原理，可分为直传式细分和平衡补偿式细分。
x2
Km
xo
图7-1
由于个别环节灵敏度xj的变化，它势必引起系统总灵敏度 的变化。此外，由于干扰等原因，当某一环节的输入量有增量
△
xj时，都会引起输出量x０的变化，这时有x0
Ki
xi
m
K sj x j
j 1
式中 K sj K j1 K m 为由于△ xj引起输出x０变化的灵敏度。
完成信号的离散化和量化，这种环节称为细分机 构。中间环节中还会有各种变换器。如波形变换 器(正弦波变换为三角波等)，电信号参数变换器 (相位差变换为脉宽等)。这些环节都依次向末端 方向传递信息，这就是直传的意思。电路结构属 于开环系统。总传函
Ks K1 K2 Km
x1
xi K1
x1
K2
12/16位 可逆计数器
计数脉冲
计数方向 Q0-Q11,15
HCTL-2020具有的功能
12/16位 锁存器
Q0-Q7 Q0-Q11,15 D0-D11,15
INH
细分脉冲 CNTDECR 计数方向
U/D
级联脉冲 CNTCAS
多路切换器
三态缓冲器 8 B0-B7
8 A0-A7＊
8 D0-
D7
SEL
OE
1 A
DG1
1 B
DG6
DG3 & A
R1
C1
& A
R2
C2 DG4
1
DG2
DG8
& B
R3
C3
& B
C4 DG9 R4 1
DG7
B & ≥1
A B
&
A A &
UO1
B
A &
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
B DG5
A & ≥1 B B &
A A &
UO2
B A & B
DG10
图7-2 单稳四 细分辨向电路
情况下，栅距是4μm的光栅，可达到1 μm的分
辨率。
在设计仪器时，要根据实际情况扬长避短，
合理分配光、机、电、细分数的比例，提高仪器
总的技术经济指标。
用电路来完成细分任务叫电子细分，是本
节要讲述的内容。
7.1 直传式细分电路
直传式细分电路由若干环节串联而成。如下
图所示。
设细分电路的输入量为xi。系统末端为编码输 出xo，中间环节中常有比较器， 另一种中间环节
*HCTL-2000中A4-A7接地
数字式电路不仅读数方便、客观、量程大，
能较好地解决量程与分辨率的矛盾。易于集成
化，抗干扰能力强，便于动态采样和记忆保存，
便于与计算机联用。所以数字式检测及计量仪
器得到广泛应用。
数字式检测和计量仪器的信息获取，主要采 用感应同步器、计量光栅、磁栅、激光等做测量 标尺，提取直线或角度位置的检测和计量信息。 同时为了提高检测装置的分辨率和确定移动方向。 常采用细分和变向电路，且使测量信号数字化及 显示。
细分的原理：基于两路方波在一个周期内 具有两个上升沿和两个下降沿，通过对边 沿的处理实现四细分。
辨向：根据两路方波相位的相对导前和滞 后的关系作为判别依据。
一、单稳四细分辨向电路
原理：利用单稳提取两路方波信号的边沿 实现四细分。电路如下图7-2所示。
正向运动和反向运动的波形如下图7-3所示。
第7章 信号细分与辨向电路
概述 直传式细分电路 平衡补偿式细分电路
概述
信号细分电路概念： 信号细分电路又称插补器，是采用电路的 手段对周期性的测量信号进行插值提高仪 器分辨力。
信号的共同特点： 信号具有周期性，信号每变化一个周期 就对应着空间上一个固定位移量。
电路细分原因：
细分电路是精密计量仪器的重要组成部分， 它的功用是提高仪器的分辨率，同时使测量信号 数字化。
随着科学技术的发展，要求读数值越来越小，
如果靠进一步减小测量标尺刻度来减小读数值，
要受到工艺等因素限制。要使位移信号每变化一
个周期不是计一个数，而是计若干数，就要采用
细分技术。一个周期计4个数叫4 细分。在4 细分